脊椎动物的进化

当你在南达科他州边境附近放置几吨钢板，数百只老鼠，一些进化和分子生物学家以及一个内布拉斯加小镇时，你会得到什么?

您是否相信脊椎动物进化史上最完整的图片之一?

在有机与进化生物学和分子与细胞生物学教授Hopi Hoekstra的带领下，一个由国际研究人员组成的团队进行了长达数年的研究，其中数百只老鼠被释放到大规模的定制室外围栏中，以追踪光线和黑暗的情况。有色小鼠在浅色和深色栖息地中存活。

结果不仅证实了浅色小鼠在浅色栖息地中存活得更好的直觉，反之亦然，对于深色小鼠，也让研究人员能够确定与生存有关的突变，特别是影响色素沉着的突变，并明确了解如何这种突变产生了一种新颖的毛色。该研究发表于2月1日发表在“科学”杂志上的论文中。

“这个项目已经有很多年了，其中一部分灵感来自人们多年来在实验室中使用微生物进行的实验性进化研究，”Hoekstra说。“我们的想法是，你从一个特定的群体开始，对它进行基因分型，然后给它带来环境挑战，并观察群体如何在几代人中进化。然后你在最后对它进行基因分型，你可以在遗传水平看到变化。

“我们有兴趣复制这种方法，但在脊椎动物中进行，并在自然环境中进行，”她继续道。“让他们在栖息地中进化 - 重要的是 - 对掠食者开放，或至少在视觉上狩猎，捕食鸟类。”

为此，博士后研究员Rowan Barrett(现为麦吉尔大学的一名教师)和同事们前往内布拉斯加州的小镇瓦伦丁，以利用一个重要的自然栖息地 - 沙丘。

早在20世纪30年代，Hoekstra说，据观察，生活在沙丘中的小鼠 - 大面积的沙丘，浅色土壤 - 与周围地区的生物相比，颜色更浅。黑暗，肥沃的土壤。

为了解这些差异的基础，Hoekstra，Barrett及其同事提出了一项雄心勃勃的计划，即在浅色沙滩上建造一系列8个围栏 - 每个2,500平方米，或超过半英亩 - 四个丘陵和四个在较暗的土壤上。

然后他们用100只老鼠“播种”每个围栏 - 一半被困在沙丘中，一半被困在周围的黑暗土​​壤中 - 用一个微小的嵌入式RFID标签标记后，并用它们的尾巴进行基因测序。三个月后，研究人员回来并开始确定哪些小鼠存活了下来。

“这个想法是从最大量的表型变异开始，因为这将给我们最大的力量，”Hoekstra说。“对于这项研究，我们问过，我们开始使用的那些老鼠......经过三个月的自然捕食后哪些老鼠存活了?

“所以我们做的第一件事就是看表型，我们询问外壳中鼠标的平均颜色是否随时间而变化”她继续道。“而且非常清楚的是，在光罩中，普通鼠标变得更轻，而在黑暗的外壳中它们变得更暗，所以我们已经看到已经出现了表型变化。”

然而，这种表型信息只是故事的一部分 - Hoekstra及其同事也想了解幸存人群中是否存在遗传差异。

“我们知道大衣的颜色是可遗传的，根据我们以前的工作，我们专注于一个色素沉着基因，我们知道这些基因对这些内布拉斯加州人口的颜色变化有所贡献，”她说。“我们对该基因的全部200,000个碱基对进行了测序......我们发现了一些与生存密切相关的突变。”

该团队选择专注于一个 - 蛋白质编码变化导致从所得蛋白质中删除单个氨基酸 - 这与向较浅的涂层颜色的转变相关。

“这告诉我们突变与生存有关，但我们想知道突变究竟发生了什么，”Hoekstra说。“我们与哈佛医学院的Jonathan Duke-Cohan合作进行了一系列生化分析，结果表明这种突变影响了这种蛋白质的结合特性，导致着色较浅。”

Hoekstra说，使用基因编辑技术进行的进一步测试证实，突变本身导致了明显较浅色的小鼠。

“这是一个令人满意的结果 - 你可以只看一只老鼠看到差异，”Hoekstra说。“你可以想象一个突变引起颜色变化的场景，但只有用非常精确的仪器测量它才能看到它，但这里非常明显。”

Hoekstra说，向前看，研究人员有两条主要途径 - 进一步研究在色素基因或其他基因中是否存在其他遗传差异，这些差异有助于小鼠在沙丘之上或之外存在，另一种研究改变多代人。

“是的，沙丘上下土壤颜色有很大差异，”她说。“但它们在植被和其他生态方面也存在差异，因此除了颜色之外，我们还希望在表型水平上有其他差异。在这种情况下，查看基因组范围并询问是否存在其他区域影响健康的基因组将是下一步，也是跨代的观察。“

但最终，Hoekstra表示，这项研究提供了一个重要的 - 而且重要的完整 - 描述了进化如何在哺乳动物中发挥作用。

“我喜欢这项研究的是它从生物层面开始，一直到突变，并且理解突变如何导致表型变化以及这种变化如何导致野外生存差异， “ 她说。“所以我认为这是一个非常令人满意的演变过程的例证，从这些表型变化的生态后果到分子细节。”

这项研究得到了加拿大自然科学和工程研究委员会，瑞士国家科学基金会，国家地理学会，哈佛比较动物学博物馆和霍华德休斯医学研究所的资助。